CNTs-Pt甲醛传感器和CNTs-Au葡萄糖传感器的研究

张循海,王超会,林 蔚,李晓生,张 永

(齐齐哈尔大学材料科学与工程学院，齐齐哈尔 161006)

0 引 言

自1991年被Iijima发现以来，碳纳米管(CNTs)就以其独特的物理化学性质越来越受到人们的关注[1-3]。CNTs具有一维纳米结构、较高的表面吸附能力、良好的电导率和电子弹道传输特性，因此具有优异的机械、电子和物理化学性能[4-5]。基于上述原因，CNTs是制造纳米气体传感器的理想基础材料。纳米金属材料具有增强电极活性和促进电子转移的功能，因此如果将纳米金属材料M(如Au、Pt、Cu、Pd等)与CNTs复合，其各组分的各种特性之间会产生协同效应[6-8]。使用这种复合材料作为电极的电化学传感器会具有更高的检测灵敏度[9-10]。一些报道详细介绍了在表面活性剂或封端剂存在下，在水溶液中通过控制尺寸和形状合成Pt和Au纳米颗粒的过程[11-12]。通常情况下，研究人员使用柠檬酸盐或硼酸盐作为还原剂，或引入氢作为还原剂以生产金属纳米粒子，这种方法反应时间长，并涉及使用表面活性剂和高压操作[13]。在圆底烧瓶中，用氢使氯酸盐溶液产生气泡，进而沉降出大微米尺寸的M粒子，其在没有表面活性剂的情况下在水中胶体不稳定[14]。旋转圆盘工艺(SDP)在快速旋转的圆盘表面产生一层非常薄的流体膜(1～200 nm)，在这个过程中会形成纳米颗粒[15]。SDP利用高离心加速度来产生快速传热和传质的薄膜，为纳米材料的制备提供了一条新的途径[16]。SDP促进了一系列反应器的设计和开发，这些反应器可在连续流动条件下提供快速传热和传质的运行条件，并将反应时间减少至数秒而不是数分钟或数小时。

本文采用CVD技术合成了CNTs并进行了纯化。采用SDP利用化学沉积法制备了CNTs-M(M=Pt,Au)悬浮液，并涂覆在Au电极上。通过静电作用将葡萄糖氧化酶固定在Au电极上，构建了修饰电极。通过在CNTs修饰的玻碳电极(GCE)上电化学沉积铂颗粒，制备了CNTs-Pt/GCE电极。在扫描电镜和透射电镜下分析CNTs、CNTs-M(M=Pt，Au)的微观结构，并对传感器在医学检测中的应用进行了评估。

1 实 验

1.1 仪器和试剂

实验仪器主要包括：固定床非均相催化(气-固)系统，JEOL3000透射电子显微镜(TEM)，蔡司VP 1550扫描电子显微镜(SEM)；CHI802电化学工作站；CNTs和CNTs-Pt修饰的玻碳电极(GCE)，CNTs-Au修饰金电极，饱和甘汞电极(参比电极)，铂丝(对电极)，超声波清洗机等。

实验中使用的氯金酸(HAuCl4)、氯铂酸(H2PtCl6)、甲醛、葡萄糖氧化酶(GOD)、葡萄糖等试剂均为分析纯；实验用水为二次蒸馏水；PSB磷酸盐缓冲液由KH2PO4和Na2HPO4根据不同的比例配制而成。Al2O3抛光粉分别为0.3 μm和0.05 μm。

1.2 CNTs和CNTs-M(M=Pt,Au)的制备

1.2.1 CNTs的纯化和功能化

通过化学气相沉积(CVD)合成了CNTs，制备的CNTs含有金属和金属氧化物颗粒催化剂杂质，以及无定形碳和石墨片[17]。获得的CNTs按照以下操作进行提纯：将100 mg的CNTs分散在100 mL的HNO3(1 mol/L)中超声30 min。悬浮液用 85 ℃的磁力加热搅拌器，在HNO3中回流2 h，在盐酸中回流3 h，以去除金属和金属氧化物颗粒催化剂杂质。经过洗涤和干燥后，CNTs在400 ℃空气中处理2 h去除非晶态碳和石墨片。最终获得高度纯化的CNTs(95%以上)。

图1 (a)SDP图示和(b)波动图示。SDP的关键组件包括：可控速度(最高3 000 r/min)的100 mm旋转盘，以及距圆盘中心的径向距离为5 mm的进料口Fig.1 (a) Illustration of SDP and (b) illustration of wave motion. The key components of SDP include: a 100 mm rotating disc with controllable speed (up to 3 000 r/min) and feed jets located at a radial distance of 5 mm from the centre of the disc

1.2.2 悬浮液CNTs-M(M=Pt，Au)的合成

使用旋转圆盘法合成了CNTs-Au和CNTs-Pt(见图1)。在此过程中，首先将CNTs(1 mg/mL)超声分散在水中(见图2)，然后在剧烈搅拌下将0.4 mL 2%HAuCl4溶液或0.5 mL 1%H2PtCl6溶液滴加到CNTs悬浮液中，在室温下剧烈搅拌3 h，将2%的柠檬酸钠溶液加入到HAuCl4溶液中预还原，新鲜制备的5%NaBH4溶液用于还原H2PtCl6，稀氢气(含80%N2或Ar)在SDP过程中被用作辅助还原剂。还原制注入后，试剂接触到靠近旋转盘中心的位置，流体膜的径向流速开始增加，因此液体速度逐渐接近圆盘速度。这里的流动类似于Nusselt模型[18]。运动的流体层与圆盘表面之间的剪切力和粘性阻力会产生湍流和波纹，从而在薄流体层内产生高效的湍流混合(见图1(b))。由此产生的湍流可以是从圆盘中心向圆盘外围移动的圆周波和螺旋波的组合，这取决于操作参数。气体(尤其是稀释的H2)存在下，在旋转的磁盘表面上产生的波浪状薄膜具有通过控制H2向薄膜的输送来控制随后的颗粒尺寸的能力。相关的报道表明，以中等旋转的圆盘速度在液膜中产生的波明显增强了气体对液体的吸附[19]。

1.2.3 CNTs和CNTs-M改性电极的制备

CNTs/GCE：用氧化铝粉末混浊液将GCE抛光成镜面状。分别在乙醇和去离子水中超声洗涤15 min后，将电极干燥。将5 μL N,N-二甲基甲酰胺溶液的CNTs置于电极表面，自然干燥。

CNTs-Pt/GCE：将N,N-二甲基甲酰胺和柠檬酸溶解到CNTs-Pt悬浮液中。将该悬浮液在80 ℃下逐渐加热直至形成糊状。将GCE浸入糊中一段时间，然后在60 ℃下干燥0.5 h。该涂覆过程重复三遍。

1.3 测试方法

使用三电极装置对器件进行了测试。在测试CNTs-Pt/GCE时，将三个电极放入0.01 mol/L硫酸溶液中，在-0.2～1.2 V的电压范围内扫描10圈，在循环伏安扫描曲线稳定后加入一定量的甲醛。采用CNTs-Pt/GCE作为工作电极。在-0.1 V电位下搅拌3 min，然后静置10 s。使用线性扫描伏安法以10 mV/s的扫描速率在0.1～0.5 V进行电位扫描。对于CNTs-Au，以获得的CNTs-Au葡萄糖传感器为工作电极，饱和甘汞电极(SCE)为参比电极，铂电极为对电极。在饱和磷酸盐缓冲溶液(PBS，pH7.0)中，室温下进行循环伏安测试。

图3 纯化CNTs的SEM照片(a),(b)和XRD图谱(c)Fig.3 SEM images (a), (b) and XRD pattern (c) of purified CNTs

2 结果与讨论

2.1 CNTs、CNTs-M的微观和结构分析

图3(a)和3(b)是纯化后CNTs的SEM照片。从图中可以看出，CNTs的长度为几十微米，呈曲线状，在静电作用下相互缠绕严重。另外，CNTs的末端是开放的，表明内部催化剂顺利被去除。纯化的CNTs的XRD分析(见图3(c))显示其内部只有石墨相，无定形碳和石墨碎片已经在400 ℃的氧化过程中被去除。

图4是CNTs纯化前后SEM和TEM照片。如图所示，未经处理的CNTs与杂质混合，如大量的黑色颗粒和绒毛，大量的无定形碳、超细石墨碎片杂质等。碳管更弯曲且因为电力相互缠绕。净化处理后，除去绝大多数催化剂颗粒，无定形碳、石墨碎片等杂质被去除了。CNTs变得细长，长径比增大且分散良好，没有团聚现象，这为其在传感器中的应用奠定了基础。

图4 纯化前(a,c)和纯化后(b,d)CNTs的SEM和TEM照片Fig.4 SEM images and TEM images before(a,c) and after (b,d)purified CNTs

图5 Au(a，b)和Pt(c，d)化学掺杂后CNTs的TEM照片Fig.5 TEM images of CNTs after Au(a, b) and Pt(c, d) chemical doped

图5是经Au和Pt化学掺杂后CNTs的TEM照片，可以看出Au和Pt颗粒是球形的，均匀地分散在CNTs表面。Au颗粒尺寸在5～20 nm之间，Pt颗粒尺寸在4～10 nm之间，这会极大地提高复合电极的比表面积。

2.2 CNTs、CNTs-M传感器的性能分析

2.2.1 甲醛在CNTs-Pt/GCE上的电化学性能

采用循环伏安法研究了甲醛在CNTs-Pt/GCE上的电化学性能(见图6(a))，图6(a)是不同电极在0.01 mol/L硫酸溶液中的循环伏安图，其中含有0.5 mmol/L的甲醛。图6(a)中的曲线c是CNTs-Pt/GCE在0.01 mol/L硫酸空白溶液中的循环伏安图，在0.72 V处的氧化峰和0.27 V处的还原峰分别对应Pt颗粒的氧化和还原。位于0.05～0.2 V之间的峰分别对应于电极吸附的氢的氧化和还原。其对应的氧化还原反应式为：

Pt-(HCOOH)ads→Pt+CO2+2H++2e-

(1)

氢峰的形状、数目和大小取决于暴露的Pt晶面、电极预处理、溶液杂质，及支撑电解质等。从图6(a)中曲线a和曲线b可以看出，甲醛在GCE和CNTs/GCE上没有明显的氧化还原峰。结果表明，该电极对甲醛没有电催化氧化作用。从Pt/GCE(曲线d)和CNTs-Pt/GCE(曲线e)的对比可以看出甲醛在0.46 V时在CNTs-Pt/GCE上产生一个0.37 mA的明显氧化峰值电流，但在0.44 V时Pt/GCE上只产生0.15 mA的氧化峰电流，前者约为后者的2.5倍，表明CNTs-Pt/GCE对于甲醛催化氧化的活性高于Pt/GCE。曲线b表明，简单的CNTs/GCE几乎没有催化活性。Pt的高度分散和CNTs与Pt的协同作用增强了电极表面的活性位点，从而显著提高了对甲醛的电催化活性。图6(b)为CNTs-Pt/GCE的线性扫描伏安图，与空白溶液相比，甲醛在0.36 V处有明显的氧化电流峰，峰值电流约为57 μA。

图6 不同电极甲醛传感器的循环伏安图(a)和CNTs-Pt/GCE的线性扫描伏安图(b)Fig.6 Cyclic voltammograms of the different electrodes for formaldehyde sensors (a) and linear scan voltammograms of the CNTs-Pt/GCE(b)

2.2.2 CNTs-Au电极葡萄糖传感器的电化学表征

本文将修饰的金电极浸泡在0.1 mol/L的半胱胺溶液中，以PBS(1 mg/mL)作为缓冲液清洗。半胱氨酸通过-SH基团形式的Au-S化学键组装在电极表面。葡萄糖的电化学氧化是一个脱氢过程,在碱性溶液中其阳极反应如下:

Au-C6H12O6+24OH-→CO2+18H2O+24e-+Au

(2)

该电极反应包含24个电子过程,故以葡萄糖作为传感器的原料具有很高的比能量,但相关动力学过程缓慢是限制其实际应用的技术瓶颈。

因此，本文使用上述制备的CNTs-Au电极对其进行了电化学性能表征，其在葡萄糖和0.1 mol/L KOH溶液中的循环伏安曲线如图7(a)中的曲线a所示。与Au电极相比，曲线的峰值电流减小，峰值电位变宽(见图7(a)中的曲线b)，表明半胱胺在Au电极表面形成了致密的单分子膜，阻碍了金电极上的电子转移进而使其在电极表面扩散的有效面积减小。由于CNTs电极与通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)和N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)活化形成的活性酯以及以酰胺键形式存在的Au电极底部的-NH2结合在一起，因此循环伏安曲线表明峰值电流上升(见图7(a)中的曲线c)峰电位变窄，这主要是因为存在的碳纳米管构成了大比表面积的碳纳米管微电极阵列。因此，其电流密度相对较高，伏安曲线的性能表现出了较大的斜率，峰值形状比裸Au电极更尖，灵敏度随着峰值电流的增加而提高。在结合了纳米Au和CNTs作用的CNTs-Au电极中，峰值电流进一步升高(见图7(a)中的曲线d)，电位差进一步缩小。这主要是因为纳米Au具有相对较低的反应活性和独特的光学性质，具有选择性氧化、催化脱氢和电催化的作用[20]。纳米Au粒子与CNTs一起，有效地增加了电极的比表面积，提高了电子转移速率[21]。此外，CNTs-Au电极具有最高的峰值电流值，表明CNTs和Au的协同使用提高了传感器的响应速度。图7(b)是在扫描速度为0.02 V/s的条件下循环10次的循环伏安曲线，可以看到曲线基本没有大的变化，表明制备的CNTs-Au传感器具有良好的稳定性。这主要是由于纳米Au的静电吸附作用可以使其牢固地吸附到电极表面的生物活性物质上，防止GOD的剥离并能保持其生物活性，从而使传感器的稳定性增强。

图7 葡萄糖生物传感器不同修饰电极的循环伏安曲线(a)和传感器稳定性测试(b)Fig.7 Cyclic voltammetry of different modified electrodes for glucose biosensors (a) and stability test of sensors (b)

为了验证CNTs-Au的选择性及抗干扰能力，本文依据血液中正常的生理水平，采用了与葡萄糖共存在血液中的电活性物质，0.1 mmol/L抗坏血酸(AA)、0.5 mmol/L尿酸(UA)、0.05 mmol/L L-半胱氨酸(L-cysteine)，0.1 mmol/L对乙酰氨基酚(p-acetamidophenol)和2 mmol/L谷胱甘肽(Glutathione)作为干扰项验证CNTs-Au的抗干扰能力，结果如表1所示。可以看出，这些电活性物质对5.6 mmol/L的葡萄糖几乎无影响，表明所制备电极具有良好的选择性及抗干扰能力。

表1 电活性物质对葡萄糖相应的干扰情况Table 1 Interference of electroactive substance to the glucose response

从上述分析中可以看出，所制备的电极传感器具有响应快、灵敏度高、选择性和稳定性好等优点。

3 结 论

通过CVD法获得了CNTs，然后对其纯化。通过静电作用将葡萄糖氧化酶固定在Au电极上，利用CNTs自组装技术通过SDP对其进行修饰。CNTs-Pt/GCE电极是由电化学沉积在GCE上的铂粒子制成的，并由CNTs修饰。CNTs-Pt/GCE对甲醛具有良好的电催化活性，在测试甲醛时具有较高的灵敏度和准确性。CNTs-Au传感器对葡萄糖浓度检测具有良好的特性，响应快、稳定性和重现性好，可应用于临床中的血糖检测。